[01-2022] Новые технологии в тяговом подвижном составе. Микропроцессорная трансформация
 

Новые технологии в тяговом подвижном составе. Микропроцессорная трансформация

Н.И. КОРАБЕЛЬНИКОВ, главный конструктор проекта,
В.А. ЕРЦЕВ, ведущий инженер,
Н.М. КОРНЕЕВ, инженер I категории, Проектно-конструкторское бюро локомотивного хозяйства — филиал ОАО «РЖД»

Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года ставит перед ОАО «РЖД» цели по обеспечению потребного объема транспортных услуг как для грузовладельцев, так и для пассажиров. При этом обязательным условием является повышение эффективности, экологичности и безопасности перевозочного процесса. Одним из инструментов решения поставленных задач является внедрение инновационных разработок и современных технических предложений в области железнодорожного машиностроения, в том числе повсеместное применение микропроцессорной электроники. Рассмотрим несколько примеров.

Одним из недостатков коллекторного тягового привода является разносное боксование, возникающее в случае ухудшения условий сцепления поверхности катания колеса с рельсом. Впоследствии это приводит к снижению реализуемой касательной силы тяги локомотива и возможному нарушению графика движения поездов.
С конца 2018 г. в ОАО «РЖД» поставляются электровозы серии ЗЭС5К «Ермак» с модифицированной системой управления МСУД-015, управляющей системами поосного регулирования силы тяги (ПРТ) и независимого возбуждения тяговых электродвигателей (ТЭД). В совокупности данные системы позволяют значительно снизить вероятность возникновения боксования, а равно и юза, и в более широком диапазоне скоростей использовать максимально возможную силу тяги электровоза (рис. 1). Проведенные тягово-энергетические и эксплуатационные испытания модифицированных электровозов серии ЗЭС5К подтвердили возможность вождения грузовых поездов массой 7100 т на участках Восточного полигона.
Аналогичные принципы регулирования моментов ТЭД использованы в грузовых электровозах постоянного тока 2ЭС6 «Синара». Реализация независимого возбуждения коллекторных ТЭД путем использования в конструкции данных электровозов современных микропроцессорных систем и преобразователей собственных нужд позволила повысить основные тягово-энергетические параметры новых локомотивов в среднем на 20 — 25 % по сравнению с ранее выпускавшимися электровозами ВЛ11.


Использование электронных компонентов для производства комплектующего оборудования локомотивов также значительно повысило эффективность их использования. Сложность регулирования частоты вращения асинхронных электрических двигателей являлась основным сдерживающим фактором повсеместного использования данных машин в конструкции тягового подвижного состава.
Развитие микропроцессорной техники, а также силовой электроники позволило использовать их не только в качестве привода вспомогательного оборудования. Характерным примером являются отечественные электровозы ЭП20, 2ЭС10, 2ЭС7, а также тепловозы 2ТЭ25А, в конструкции которых применены асинхронные тяговые электродвигатели.
В качестве силовой установки на большинстве поставляемых в ОАО «РЖД» отечественных тепловозах используются дизельные двигатели внутреннего сгорания. Для поддержания в автоматическом режиме частоты вращения их коленчатого вала также используются электронные системы управления, контролирующие момент начала подачи и итоговый объем топлива в камере сгорания двигателя — цикловую подачу. Таким образом, в зависимости от времени и продолжительности подачи сигнала системы управления регулируется выходная мощность дизеля. В случае отсутствия управляющего воздействия обеспечивается возможность отключения нескольких цилиндров для повышения экономичности локомотива на холостом ходу.

Еще одним вектором развития микропроцессорной техники в локомотивостроительной отрасли являются различные «умные» системы, позволяющие автоматизировать процессы обеспечения поездной работы. Совокупная информация о текущем техническом состоянии локомотива и его оборудовании, о местоположении в пространстве, о занятости участка пути, о нахождении препятствий на пути следовании позволяет не только предпринимать различные решения здесь и сейчас, но и прогнозировать развитие сложившейся ситуации.
Уже сегодня данные системы позволяют осуществлять вождение поездов в одно лицо, а также одной бригадой управлять несколькими локомотивами по технологии виртуальной сцепки. Указанные технологии позволяют не только высвободить необходимые человеческие ресурсы, но и повысить эффективность перевозочного процесса, сократив поездные интервалы (рис. 2).
Следующим этапом развития данного направления являются беспилотные технологии. На прошедшем в августе 2021 г. Международном железнодорожном салоне «пространства 1520» «PROZ/Движение.Экспо» был продемонстрирован электропоезд ЭС2Г «Ласточка», который следовал по Экспериментальному кольцу ВНИИЖТ (Москва, Щербинка) при отсутствии машиниста в кабине управления.
Данный электропоезд оснащен набором датчиков, таких как видеокамеры, тепловизоры и лидары, каждый из которых позволяет оценить и классифицировать объекты, находящиеся в поле зрения системы, в зависимости от их характеристик. В скором будущем подобный подвижной состав планируется к поставке в ОАО «РЖД» для обеспечения перевозки пассажиров на Московском центральном кольце. Станция Лужская-Сортировочная также является примером внедрения аналогичных беспилотных систем управления на маневровых локомотивах ТЭМ7А.

Все эксплуатируемые ОАО «РЖД» локомотивы являются сложными системами, находящимися в непрерывном взаимодействии с внешними воздействующими факторами. При формировании анализа надежности эксплуатируемых локомотивов зачастую оцениваются лишь три из них. Это — эксплуатация (в части корректности действий локомотивной бригады), производство (в части качества изготовления и правильности выбора конструкторских решений) и сервисное обслуживание (в части полноты и правильности выполнения ремонтным персоналом технологической документации). При этом прочие воздействующие факторы (метеорологическая обстановка на полигоне эксплуатации, характер перевозимых грузов, средний уровень заработной платы обслуживающего персонала и др.) остаются неохваченными ввиду ограниченности используемых программных комплексов.
На сегодняшний день в Компании используется множество автоматизированных систем, однако количество и неструктурирован-ность хранящихся на серверах исходных данных превышает объем, поддающийся обработке и анализу с использованием стационарных персональных компьютеров. Для возможности получения наиболее достоверной оценки влияния на надежность локомотивов всех внешних факторов возможно выполнение многофакторного анализа причин нарушений их работы с использованием методов обработки «Big data» («больших данных»).

Первичной информацией для выполнения многофакторного анализа, в том числе, могут стать данные бортовых микропроцессорных систем локомотивов. При этом чем больше объем их выборки, тем выше вероятность справедливости статистической гипотезы. Целью предполагаемой работы является выявление скрытых факторов, влияющих на ритмичность и безопасность перевозок.
Для получения наиболее достоверных результатов анализа параметров эксплуатации локомотивов предлагается использовать технологии распознавания и анализа на различных платформах. Они позволяют работать как с упорядоченными, так и с неструктурированными исходными данными, в том числе представленными в форме текстовых документов.
В завершение хотелось бы отметить, что внедрение новых технологий является лишь одним из многих инструментов, используемых ОАО «РЖД» в обеспечении доступности, объема и конкурентоспособности транспортных услуг, а также повышении уровня безопасности железнодорожного транспорта.